海綿城市建設對地下水影響研究綜述

鄧若晨 孟侃 姜媛 楊慶 朱振洲 劉辛初 石筱

摘 要：海綿城市低影響開發（LID）措施的提出對解決城市水資源環境問題具有良好的正面效果，現階段國內也進入了海綿城市建設的熱潮。海綿城市的核心在于雨水資源的回收利用，而雨水的收集和快速下滲過程中是否會對城市地下水造成負面影響值得探討。現有研究中學者研究的熱點大多放在海綿城市的內涵、概念以及低影響開發（LID）措施工程設計上，而對海綿城市建設對地下水的影響研究較少，這對我國海綿城市理論研究和實踐的發展不利。在綜述國內外低影響開發（LID）措施對地下水的水位和水質影響現狀的基礎上，以低影響開發（LID）措施的功能、效果及其影響機制為依據評價了單元LID設施對地下水的影響程度，提出構建海綿城市地表水和地下水的耦合模型，模擬地下水水位動態變化和溶質運移過程。

關鍵詞：海綿城市;LID;雨水入滲;地下水;數值模擬

Abstract： The proposal of low impact development （LID） measures for sponge cities has a good positive effect on solving the problems of urban water resources and environment. At this stage， China has also entered the upsurge of sponge city construction. The core of sponge city lies in the recovery and utilization of rainwater resources. In the process of rainwater collection and rapid infiltration， the impact of pollutants carried in the water body on the water level and quality of urban groundwater with the supply of groundwater is worth exploring. Most of the current research focuses on the connotation， concept and engineering design of low impact development （LID） measures of sponge city， but less on the impact of sponge city construction on groundwater， which is not conducive to the development of theoretical research and practice of sponge city in China. Based on reviewing the current situation of the influence of low impact development （LID） measures on groundwater level and quality at home and abroad， the influence degree of unit LID facilities on groundwater is evaluated based on the function， effect and influence mechanism of LID measures. The coupling model of surface water and groundwater should be used to simulate the dynamic change of groundwater level and solute transport process.

Keywords： Sponge city; LID; Rainwater infiltration; Groundwater; Numerical simulation

0 引言

隨著中國城市化的快速發展，1949—2018年，城市數量由132個發展到672個，2018年末中國城鎮化率已經達到了59.6%（新中國成立70周年經濟社會發展成就系列報告）。城市化建設給人們的生活帶來了許多便利，同時也對城市的自然生態環境造成了許多負面影響，在面對“城市看海”“熱島效應”“水源污染”等城市發展帶來的水資源問題時（楊穎芳等，2019），國外早在20世紀90年代就提出了多種保護城市水資源的辦法（表1），例如美國提出的低影響開發（Low-Impact Development， LID）;歐洲所提出的可持續城市排水系統（Sustainable Urban Drainage System， SUDS）;及其澳大利亞的水敏城市設計（Water Sensitive Urban Design， WSUD）等（Dunphy et al.，2007;Dietz，2007;FLETCHER et al.，2015;Li et al.，2010;任南琪，2018;吳丹潔等，2016;米文靜等，2018）都旨在通過建設城市特殊設施（下凹式綠地、雨水花園、綠色屋頂、地下蓄滲、透水路面等）從源頭控制管理暴雨所產生的雨水徑流和污染，使開發地區盡量接近自然的水文循環。

海綿城市（Sponge City）也被叫做“水彈性城市”，“海綿城市”概念中“海綿”表示的是城市帶有的吸附功能，澳大利亞學者Budge把海綿用來形容城市人口聚集的現象（俞孔堅等，2015;Budge，2006）。海綿城市通過運用低影響設計和開發（Low-Impact Development， LID）的理念和措施對雨水進行回收利用，以改變降雨地表徑流特征的方式，來達到緩解城市內澇、補給地下水資源以及保護地表水源等目的（仇保興，2015）。習近平總書記在2013年的中央城鎮工作會議講話中強調了我們要優先考慮截留雨水，優先考慮自然狀態排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市（中央城鎮化工作會議）。2014年住建部發布《海綿城市建設技術指南》，提出海綿城市即城市能夠像海綿一樣，在應對各種自然災害和不同的生態環境下具有一定的“彈性”，能夠在降雨時把雨水進行收集和凈化，在需要用水時再把雨水進行“釋放”。“海綿城市”的概念被官方文件明確的提出，代表城市生態雨水資源的管理利用從理論走向實踐。

隨著中國開始推動海綿城市的建設，到目前為止國內已有海綿試點城市30個，海綿城市建設區域超過600km2（任南琪，2018），現有海綿城市的建設屬于前期發展階段，對海綿城市的理論研究和實踐方面還有許多的不足。在進行海綿城市雨水資源的再利用建設時，類似雨水截留和快速下滲等對地下水的補給措施會造成地下水水位的動態變化，低影響開發（LID）設施的建設和使用以及雨水中攜帶的污染物是否會對地下水水質造成負面的影響，都需要進一步的探討。總體來說，對于海綿城市這個熱點問題，國內外的學者大多從低影響開發（LID）設施本身的結構、影響機制以及對徑流量的影響和模型模擬的角度出發，而對海綿城市建設中對地下水水位和水質的影響問題卻少有研究（俞孔堅等，2015;唐雙成等，2015），這不利于我國后續海綿城市的建設和健康發展。因此，需要加深對中國海綿城市的建設對地下水的影響研究。

1 海綿城市建設對地下水影響研究現狀

傳統的城市建設改變了自然條件的下墊面條件，大量的不透水路面和設施使得雨水很難入滲到地下，減少了雨水對地下水的補給，增加了地面的徑流量，極易產生城市內澇，雨水通過水平方向直接補給河道，造成水體污染嚴重，對城市水資源造成了很大的破壞（李懷恩等，2019）。在海綿城市建設中，由于雨水收集設施的存在，能夠有效控制地表徑流量并且更多的利用土壤自然凈化雨水減少污染，雨水資源的回收利用與地下水水位、水質動態變化之間的聯系變得更加密切。

1.1 海綿城市建設對地下水水位影響的研究

海綿城市的建設使得雨水的入滲方式，地表徑流峰值峰量及排泄方式發生了變化，從而引起地下水的水位、水質動態變化（李懷恩等，2019）。Appleyard等（1993）對珀斯市區的3個雨水滲透調節池的地下水位和水質動態變化進行監測，雨水滲濾幾分鐘后地下水位上升。BOISSON等（2014）研究得出土壤非飽和帶的蓄水效果延遲了入滲補給過程，地下水的最終補給量受到非飽和帶可存儲水量的限制。杜新強等（2019）利用數值模擬海綿城市建設對地下水資源的補給作用與低影響開發工程設施的類型有關，也與其規模有關，僅當海綿城市建設達到一定規模之后才能對區域地下水資源產生較為明顯的補給效應。賈忠華等（2018）通過統計學的方法來對黃土區雨水花園地下水影響的多年觀測試驗數據進行分析，雨水花園的集中入滲對抬高局部地下水位有顯著影響，在降雨期間內及后續時間里土壤非飽和帶會蓄存下滲水并緩慢釋放來穩定補給地下水。郭超與趙苗苗等（2017;2015）以西安理工大學校內雨水花園為研究對象，實地監測獲得降雨前后地下水位的變化數據，認為雨水花園對降雨徑流具有良好消減效果，降雨對地下水的補給具有滯后性且對地下水的水量補給效果顯著。從上述研究結果可以看出，LID設施能夠對地下水資源起到良好的補給作用，土壤的非飽和帶對地下水的補給具有滯后性。

1.2 海綿城市建設對地下水水質影響的研究

海綿城市的建設一方面加大了地表水的入滲，另一方面水體在入滲的同時也會攜帶地面的污染物進入地下。傳統城市中雨水的入滲及再生水的回灌都會對地下水的水質產生影響，其有可能會對地下水的水質造成影響的主要有氮、磷、有機物、重金屬等（李懷恩等，2019;孫建偉，2007;李秉輝等，2016;方宏宇等，2020）。海綿城市的雨水集中系統設施可以對雨水的凈化起到重要作用，在經過綠地屋頂、植草溝、雨水花園、人工土壤滲濾等措施是能夠在自然條件下對雨水起到凈化作用，但是依舊有局限性可能會對地下水的水質造成影響。Nieber等（2014）分析雨水回收利用系統的集中入滲措施，認為徑流的集中入滲可能會導致金屬和石油烴進入地下水。Trowsdale等（2011）通過實地監測生物滯留系統得出大部分鋅、鉛和總懸浮沉積物從流經生物滯留系統的雨水中去除，TDS和總鋅濃度降低了幾個數量級。Tedoldi等（2016）對SUDS系統的土壤進行取樣分析并通過建模去模擬污染物的遷移過程，認為SUDS具有良好的污染物控制潛力，但在復雜條件下具有不確定性。Dietz等（2007）對雨水資源回收利用系統進行了論述，并分析了集中入滲條件下雨水污染地下水的可能性，指出徑流下滲中濃度較低的污染物易被土壤自然截留，不會對地下水形成污染，而污染物中的鹽分和病原體不易被土壤截留，可能會對地下水造成負面影響。賈忠華等（2018）對多年觀測的黃土區雨水花園地下水試驗數據進行分析，得出雨水花園的集中入滲對部分地下水水質指標影響顯著，但研究顯示，相似研究區域地下水位低的情況，雨水花園的集中入滲對地下水水質的影響有限。唐雙成等（2016）在對西安地區的雨水花園裝置進行實地監測并通過模擬研究不同填料的雨水花園對雨水徑流削減和污染物去除效果，分析了不同種類污染物在雨水花園內去除的機理。郭超和趙苗苗等（2017;2015）發現不同雨水花園的下墊面污染物濃度大小不同，路面降雨徑流污染物值明顯高于屋面徑流，徑流入滲對地下水中氮、磷濃度影響較小，地下水鹽分沒有顯著的影響，說明雨水花園對污染物有很強的截留能力，雨水花園集中入滲并未引起當地地下水水質變化。上述研究結論可看出海綿城市的建設對地下水的負面效果不明顯，但仍需考慮LID設施使用時間長時污染物的積累或系統本身攜帶的污染物對地下水的影響。

1.3 現有研究不足

現有面對海綿城市地下水水位和水質的研究，大都以單個或典型LID設施為研究區域，區域規模較小、研究周期較短、缺乏大尺度和長周期上對海綿城市整體地下水水位變化的討論，此外研究的污染物種類較少，并且沒有明確污染物在地下水中的遷移過程，因此對海綿城市建設中地下水水質的影響還需進行整體的研究。綜合來講，人們對于城市雨水資源回收利用后地下水的水流流向和水質變化問題關注較少，更缺乏海綿城市建設對地下水影響的實例研究成果，國內對此方面的研究進展都略顯不足，面對與國外不同地理條件和社會情況下國內海綿城市的建設，開展關于海綿城市LID措施建設對地下水影響的研究就顯得尤為重要，對未來海綿城市的進一步發展及城市水資源的恢復也能夠起到一定的參考作用。

地表水數值模型大都應用于LID設施的方案選取上或是針對海綿城市的內部水文循環過程進行模擬，而現有研究對地下水的數值模擬多是單獨模擬了地下水的水位動態變化，缺乏對水質變化進行模擬。目前已經發展了很多地表水和地下水耦合模型，如SWATMOD模型其耦合了半分布式水文學模型SWAT和MODFLOW模型、MIKE-SHE模型、GSFLOW模型等（凌敏華等，2010;王蕊等，2008）。張雪剛等（2010）利用SWAT模型與MODFLOW模型進行耦合應用于徐州市張集地區的地下水模擬計算。馮艷如等（2018）對地表水與地下水的耦合模型進行了開發， 在淺水模型的基礎上增加地下水模塊，選用Green-Ampt模型計算地表水的下滲量，為海綿城市建設提供依據。海綿城市的建設使得地表水的下滲水量變多，地表水與地下水的聯系更加密切，因此海綿城市有必要建立地表水與地下水耦合模型。

綜上所述，現階段國內外學者對海綿城市的研究熱點大都放在LID措施源頭的本身，主要包括工程設計、作用機制和影響效果上，而對海綿城市建設條件下地下水的變化研究較少。

4 展望

現有研究認為，海綿城市的LID設施對城市的地下水具有補給效應但由于土壤非飽和帶的存在會存在滯后現象，而由于國內海綿城市的建設并不完善，城市內部的LID設施大都是點狀分布因此對地下水的補給只對局部區域的地下水具有明顯效果。此外研究表明土壤能夠對下滲的雨水進行凈化并通過人工處理可以去除大部分污染物，雨水資源的再利用補給地下水并未發現對地下水的水質造成不利的影響，但是也沒有證據能夠表明僅靠土壤的生態凈化能夠確保地下水的水質不受雨水回收利用集中入滲的影響。

海綿城市LID措施對地表徑流的影響可以使用SWMM等城市雨洪模型進行模擬分析，地下水的水位變化和水質運移可以通過Visual MODFLOW、GMS等地下水數值模擬軟件來描述。在研究海綿城市水文循環過程中對地下水的整體影響時，可以結合地表水模型的模塊結合地下水數值模擬軟件平臺去刻畫，現有的水文模型大都支持LID/BMPs設施并且包含GMS等模塊可以對地面徑流以及地下水進行耦合。由于地下水的補給受地層和包氣帶的影響，因此應考慮地表水-包氣帶-地下水的三者耦合下全面的研究海綿城市的低影響開發（LID）措施的建設對下水的影響。

最后，通過實地監測、數據分析以及數值模型模擬等手段，在低影響開發（LID）措施建設的條件下，建議對各個單元或集成LID設施對地下水的影響效果以及作用機制進行深一步的研究，嘗試建立海綿城市LID設施對地下水影響的評價體系，為后續海綿城市地下水的評價提供理論依據。

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